文摘

受偏见影响压力、浅埋偏压隧道施工的机械特性是复杂的。不同施工方法对稳定性的影响的门户部分浅埋偏压隧道已经在过去的研究中引起相当大的关注,但是它没有被正确的微观机理进行了分析。在这项研究中,采用离散单元法模拟的施工步骤的三步法和单边标题法,没有系统的螺栓支持Qijiazhuang隧道为研究对象。隧道围岩应力、垂直位移和地表变形结果分析了不同工作条件下,和系统的螺栓的机制支持从微观角度进行了分析。结果表明,单边方法可以逐步释放荷载和变形和更好的扮演衬里的支撑能力;系统的螺栓的存在提高了围岩的抗剪承载力,增强了拱效应,从而大大减少围岩和地表的垂直位移变形。最后,与现场监测数据,建议采用单边标题方法系统的螺栓支持门户的建设部分。

1。介绍

随着中国基础设施建设的快速发展,越来越多的高速公路和铁路隧道项目正在建设中。由于众多的山脉和复杂地质条件在中国,大量的隧道不可避免地穿越浅埋、偏压和软弱围岩区域(1- - - - - -5]。浅埋偏压地形的存在将引起偏见的压力。同时,围岩的洞穴入口通常是破碎的,受软弱地基土和渗流,地形和地质条件复杂。因此,完全理解的影响不同的开挖方法和支持计划的浅埋偏压隧道围岩的稳定性具有重要的参考保证隧道入口和表面的稳定性。

模型试验和理论分析是重要的方法来研究岩土问题[6- - - - - -10]。Lei et al。4,11,12]研究了断裂机制浅埋偏压隧道的围岩在不同偏压角度通过模型试验和获得围岩压力的变化规律的深和浅埋偏压角度并与标准的计算方法。腾et al。13]导出的计算公式浅埋偏压隧道的围岩压力与小间距考虑施工过程和地形坡通过使用理论分析和围岩的应力规律在不同偏压下角,和埋藏深度的情况进行了分析并与地面是水平的。

计算机的快速发展和数值模拟软件,数值方法已逐渐成为一种有效的方法来分析岩土工程问题。由于强大的可重复性和模拟各种工作环境的能力,数值模拟已被许多学者青睐(14- - - - - -17]。国内外学者采用数值方法模拟浅偏压隧道的开挖,获得围岩的应力和变形规律(1- - - - - -3,18]。一些学者也认为真正的支持和强化条件结构的数值模拟,获得应力和变形法和评估领域建设和强化的效果(5,19- - - - - -21]。盾(19]分析了隧道的沉降变形数值模拟和评估现有的支护结构的影响以及背压的影响回填加固措施。除了评估现有的支撑结构的有效性,数值模拟也可以用来优化为浅偏压隧道施工方法(22- - - - - -25]。赵et al。22)模拟的门户部分浅埋偏压隧道通过使用ANSYS软件和获得的施工方案满足标准和稳定性的要求。数值模拟也可以用来揭示了浅埋偏压隧道的应力机制。杨et al。26]研究了失效机理和治疗措施的主要支持的浅埋偏压隧道。

现有的仿真主要是基于连续介质力学的方法,还有一些研究介观机制浅埋偏压隧道的稳定性。离散单元法(DEM)是一个重要的方法来研究不连续介质力学行为从介观力链的角度(27,28]。作为一个典型的不连续的媒体,它更适合分析浅埋偏压隧道围岩的稳定性从微观的角度挖掘利用离散单元法(DEM) (29日- - - - - -37]。因此,本研究的目的是使用民主党研究围岩压力,位移,变形和表面不同的支持下在浅埋偏压隧道的开挖方法和分析浅埋偏压隧道的微观机理,以Qijiazhuang隧道为工程背景。裂缝的发展规律在隧道开挖引起的围岩,接触力的分布特征,压力拱的进化规律从微观角度进行了分析。最优隧道开挖方法和获得的支持措施与现场监测数据进行比较。

2。项目概述

Qijiazhuang隧道位于Qijiazhuang村,门头沟区,北京。左线的起点和终点的里程A1K70 + 075∼A1K70 + 369.14,长度为294.14米,最大埋深是29米。对于直线,起点和终点的里程是AK70 + 076.286∼AK70 + 375,长度为298.714米,最大埋深是41米。隧道的入口和出口都位于山麓的斜率。隧道入口,里程A1K70 + 090∼A1K70 + 195,浅埋偏压段,地面坡度角大约是15∼35°。隧道轴基本上是正交的轮廓,和上面的基岩暴露的入口。有超过60柏树的直径大于30厘米的地面隧道。斜率是表面的残余土壤的厚度0.5∼2.0 m。在土壤强烈风化安山岩。偏压隧道和分布的岩石和土壤层次如图1隧道的纵向截面图所示2。

围岩是高度和中等风化,岩体破碎,节理裂隙发育,小范围的水涌出的围岩隧道的入口。根据围岩分类标准在工程岩体分类标准(gb50218 - 2014) [38),Qijiazhuang隧道的围岩被定义为IV-V水平。图3显示了砂浆和残积土表面的山坡。

最初的衬里由型钢框架、系统锚杆和喷射混凝土、钢筋网。其中,型钢框架采用I22b钢纵向间距50厘米;该系统采用螺栓φ25个螺栓的长度是4米,采用空心注浆。螺栓的纵向间距是50厘米,圆周间隔是100厘米,使用plum-shaped安排;这件喷射混凝土采用混凝土28厘米的厚度。

3所示。数值模型

3.1。工作条件

根据不同的开挖方法(三步法和单边标题法)和不同的支持方法(有或没有系统螺栓支持),四个工作条件选择和如表所示1。

3.2。离散单元模型确定

建立了数值模型根据A1K + 115段隧道,围岩分类的部分是V。左和右隧道的埋深是12和19米,分别。左和右隧道开挖部分的宽度是44.71米,和部分的高度是11.861米。基于弹塑性理论,模型的大小应该3∼5倍长隧道张成的空间来减少边界条件的影响。如图4模型的宽度和高度是130和82.67,分别。隧道位于模型的中心轴,仰拱的最小值点是38.168米的距离模型的底部,和最初的衬里是280毫米的厚度。水平位移的约束应用于模型的左和右边界,应用和垂直位移约束模型的底部,顶部的模型自由边界条件。系统的螺栓和灌浆加固范围相当于矩形长度4.5米和0.75米宽。

根据“粒度细化”的方法,生成指定范围内的粒子。颗粒间的接触模型采用线性平行键模型,适合胶结材料,如岩石。此外,为了提高计算效率,粒子的半径隧道附近分散从0.035到0.255米,这是域包围的黑色曲线如图所示4。粒子的半径在0.255至0.367米,其他部分模型中粒子的总数是162092。模型的初始应力是通过应用重力场10.0重力加速度。平衡后,底部的垂直应力中点为1.38 MPa,这是接近1.264 MPa的压力较低的边界通过弹性理论。开挖后,应用参数的初始衬里。

3.3。模型参数

基于隧道设计说明,工程勘察报告和工程类比,宏观参数可以确定的。周围的岩石和地层的宏观参数如表所示2。

根据工程勘察报告提供的数据,采用岩石双轴压缩数值试验。通过不断调整和优化的微观参数,模型参数可以通过选择获得的测试结果接近的数据报告。最后每一层的微机械参数如表所示3。中等风化岩石的莫尔-库仑强度包络图所示5。值得注意的是,模拟凝聚力和内摩擦角与工程调查结果有很好的一致性。

宏观参数的初始支持基于等效计算方法决定的。型钢框架和钢网的参数转换为喷射混凝土在最初的衬里,也就是说, ,在哪里和混凝土的弹性模等效前后,分别钢的弹性模量,和部分地区的混凝土和型钢框架,分别。系统模拟螺栓通过提高岩体参数的值。

4所示。仿真结果和讨论

4.1。压力的结果

图6显示了接触力分布的三步方法为每个开挖阶段(没有系统的螺栓的支持)和最后阶段,和图7显示了最后的接触力分布开挖阶段的单边方法。水平、垂直和剪切应力的位置可以通过设置测量圆。圈内的应力计算 ,在哪里是分支向量,定义为矢量连接中心的粒子,颗粒之间的接触力,是测量圆的面积。

黑色和红色的点数据6 (b)和7代表前三的位置最高的水平和垂直应力,分别。

以下4.4.1。三步法

如图6(一)加强深度,初始状态的接触力分布均匀增加,和深埋的压力大于浅埋偏压(的13]。围岩应力重分布是由开挖引起的每个部分。减少降低围岩的接触力观察到由于开挖部分的压力释放。上面的岩石隧道自发形成拱形结构。螺栓的压力范围和灌浆工作条件2大由于采用锚杆支护,如图6 (b)。

根据测量圆的监测结果,前三个最高水平应力的工作条件1和2是0.479,0.421,0.389 MPa, 0.535, 0.527, 0.476 MPa,分别。除了0.476 MPa的工作条件2点位于拱肩的隧道,其他的点都位于拱基础。前三个最高垂直压力的工作条件1和2是1.03,0.984,0.964 MPa, 1.06, 1.05, 1.01 MPa,分别。除了这些点的0.984和1.06 MPa的工作条件1和2位于mid-rock支柱,其他的点都位于下部围岩对隧道。显然,工况2显示了更大的应力集中。

仿真结果表明,浓度大的压力更可能发生在拱脚跟,侧墙,和mid-rock支柱三步方法;系统锚杆在隧道开挖部分形成一个强大的承重结构,转移负载上岩石和土壤的深度,导致拱的应力集中状态,mid-rock支柱和衬里。在实际的建设,应加强在这些位置的支持,和右隧道应监控以确保围岩的稳定性。

4.1.2。单边标题的方法

如图7和三步法的结果类似,是由开挖引起的应力的重新每个漂移的标题,和接触力的减少降低围岩发现是由于压力释放出土的部分。上面的岩石隧道自发形成拱形结构,和压力范围内的螺栓灌浆4更高的工作条件。深埋侧的压力大于浅埋侧由于地形偏压的影响。

根据测量圆的监测结果,前三个最大水平应力的工作条件3和4是0.52,0.417,0.41 MPa, 0.603, 0.565, 0.534 MPa,分别。除了这些点的0.417和0.603 MPa位于拱肩的隧道,位于所有其他点对隧道的拱的基础。工作的前三个最大垂直应力条件3和4是1.31,1.15,1.05 MPa, 1.19, 1.10, 1.02 MPa,分别。除了这些点的1.05和1.02 MPa位于右右隧道围岩,其他所有的点位于左边墙的隧道。很明显,拱脚跟,拱肩,和对隧道侧壁的轴承更大的压力,这是一个缺点隧道的稳定性。

单边标题法,最大应力的位置衬砌的隧道,这表明单边标题方法能充分发挥围岩承载力的衬里和缓解应力集中。系统的螺栓减少垂直应力的大小,但水平应力的增加引起的。因此,拱的支持基础,拱肩,和侧墙应该增强,mid-rock支柱的监测频率也应该保证围岩的稳定性增强。

4.2。位移结果

图8显示表面的布局和围岩位移测量。不同开挖阶段的位移轮廓的三步法和单边标题法没有系统的螺栓的支持提出了数字9(一个)和10 (),分别。垂直位移位移测量的数据测量圆表中列出4。

4.2.1。准备三步法

图9表明,垂直位移的围岩与隧道的开挖逐渐增加。最大的位置垂直变形对隧道的拱顶,和大起伏发生在左和右隧道底部。值得注意的是,垂直位移的不对称是由于地形偏压的影响。

工作条件1,考虑到左上部分的浅埋深的隧道,拱效应(39)是有限的,导致围岩的大型垂直位移左上右隧道的一部分。开挖后的所有部分,左、右隧道的拱顶沉降稳定在22.4和14.6毫米,分别。最大垂直位移发生在第一步对隧道的开挖阶段,14.5毫米,占总沉降的64.7%。值得注意的是,三步法没有应用系统的螺栓大拱顶沉降,和大部分的拱顶沉降是由于开挖的第一步。

由于使用螺栓和灌浆支持,外隧道围岩的承载能力在工作条件2是增强。因此,垂直位移的大小主要取决于围岩压力,导致更大的位移在深埋。开挖后的所有部分,左、右隧道的拱顶沉降稳定在14.8和6.77毫米,分别。其中,最大沉降发生在第一步对隧道的开挖阶段,11.6毫米,占总沉降的78.4%,其次是第二步对隧道的开挖阶段,2.9毫米,占19.6%的总沉降。位移的大小的工作条件2小于工作条件1由于使用系统的螺栓的支持。

4.2.2。单边标题的方法

图10表明,隧道的垂直位移是集中在地下室,和深埋侧垂直位移大于浅埋偏压由于地形的偏见。

在数据比较数据9和10和表4,它可以发现的拱顶沉降法三步法和单边方法明显不同。工作条件1和3,例如,左和右隧道开挖后的removement临时支持,左、右隧道拱顶沉降的工作条件3 = 14.4和10.9毫米,分别。最大垂直位移发生在rightt-up漂移对隧道施工阶段,7.56毫米,占总沉降的52.6%。拱顶沉降和沉降产生的拱腰三步法是关于1.56和2.86倍的单边方法。它可以得出结论,单边标题方法可以逐渐释放荷载和变形,这有利于支持和控制变形的大小。

它也可以指出,拱顶沉降的比例的漂移方向挖掘最大在所有工作条件是单边标题的方法。因此,挖掘上漂移方向接近深埋的关键过程,影响浅埋偏压隧道的稳定性,与单边结构方法。从这个意义上说,真正的建设,支持应该应用于时间和监测频率应加强防止围岩大变形,确保施工的安全。

垂直位移的结果对隧道的拱顶,左左隧道拱腰,对隧道拱腰图所示11。

根据表4和图11的规则,它可以得出结论,不同工作条件下的位移基本上是一致的和深埋侧位移的大小大于浅埋偏压由于地形的偏见。有突然变化的位移曲线左隧道,这是左隧道开挖引起的,导致围岩的扰动。隧道拱顶沉降和拱腰没有系统的螺栓的支持1.26∼1.51和0.95∼1.53倍情况下系统的螺栓。值得注意的是,系统的螺栓可以减少浅埋偏压隧道的拱顶沉降,但缺乏在减少侧墙的变形,甚至可能导致侧墙的变形发生。

因此,隧道的入口部分优先使用单边标题方法与系统的螺栓在实际施工保证围岩的稳定和减少地表沉降。在远离开放的部分,三步方法与螺栓支持建议降低成本和提高效率,从围岩的完整性将增加,地形偏压退去由于上覆土层厚度的增加。也注意到,在拱的基础支持,拱肩,侧墙,和mid-rock支柱应该增强,和衬砌应尽快关闭,和mid-rock支柱的监测频率应该保证围岩的稳定性增强。

4.2.3。表面变形结果

垂直和水平位移不同工作条件下的地面数据所示12和13,分别。

它可以看到从图12地表沉降是形状的”“表面沉降呈现明显不对称的特点,这是更大的在深埋侧由于地形的偏见和不均匀分布的岩石和土层。最大沉降的位置对所有情况都是上方的隧道,和一些坡度的地面起伏发生在脚趾上。最大地表沉降的三步法没有系统的螺栓和单边标题法没有系统的螺栓为17.5毫米和10.5毫米,分别。最大地表沉降的三步法与系统的螺栓和单边标题法系统的螺栓为11.1毫米和7.81毫米,分别。值得注意的是,单边标题的方法对控制地表沉陷具有良好的影响,和系统锚杆支护能有效地减少地表沉陷。

在图13水平位移、地表移动右的左左左和右隧道之间的隧道和对称的轴,而在其他网站往左移动。表面最大水平位移位于斜坡顶部的一侧的隧道。它可以发现系统的螺栓降低水平表面位移的支持。

5。微观结果与讨论

5.1。分析围岩的骨折

图14显示周围岩石的裂缝发展的三步法。根据图14,骨折的工作条件1是最大的,在裂缝对隧道拱腰向下向上延长12米和12米。影响裂纹的深度围岩的距离大约是5.5。有效地降低了系统锚杆支护裂缝的数量,和骨折在工况2的数量下降了28.15%,在工作条件1。与此同时,裂缝的数量也受到开挖方法。单边标题的裂缝发展规律的方法是相似的,而裂缝的数量小于三步法。

5.2。压力拱效应分析

隧道的开挖围岩的平衡状态。为了抵抗不均匀变形,岩体内的切向应力的增加,应力路径是坚定不移。因此,形成了一个特殊的轴承结构,称为压力拱。发展可以反映压力拱拱起的系数k(40]: 在哪里和的切向应力后围岩在开挖之前,分别。 表明,切向应力低于原岩应力和外的位置位于压力拱;而 代表的位置位于压力拱;当 ,这个职位是拱内边界和外边界的压力。

测量的压力拱的布局如图15。内部和外部边界的压力拱在不同支持线性插值方法计算的拱形系数计算(1)。隧道开挖后的压力拱的形状如图16。

如图16,内边界的压力拱的隧道部分在工况1中,和内部边界的压力拱配合隧道的衬砌,表明有不稳定围岩在拱门。拱效应是由系统的螺栓的支持;因此,提高隧道的稳定性。

5.3。分析系统的螺栓机制

使用鱼编程语言计算接触力的大小在每个方向上的螺栓和灌浆区域,微观接触力的结果如图17。图中的线段的位置代表接触力的大小在每个方向。

如图17,有一些不同的围岩的接触力分布,在螺栓和灌浆区域不同的工作条件:(1)接触力的初始状态是“peanut-like”分布。开挖后,接触力在工作条件没有螺栓的支持增加,和它的初始状态的分布基本上是一致的。与锚杆支护的工作条件下,接触力急剧增加,分布变化明显。(2)在所有工作条件、大接触力方向发生60°、300°,由于地形的偏见。与锚杆支护工作条件,接触力在0°、180°方向增加,和接触力的分布更圆,这表明围岩压力更统一的四面八方。(3)接触力的分布变化的原因如下:螺栓加固区域的力学参数增加了系统锚杆和注浆支持和拱效应提高挤压强化效应的螺栓(图的支持16 (b))。因此,接触力分布改变,导致应力集中区域的变化。

因此,系统的螺栓的存在导致活动轴承结构的形成在附近的围岩,提高围岩的承载能力,改善了维持上加载和抵抗不均匀变形的能力。

6。现场监测

围岩的位移和地面测量在门户建设隧道的一部分,分析了位移门户部分和数据(41]。比较测量和模拟对于左、右隧道拱顶沉降曲线如图18和19,分别。比较表面之间的清算领域的监控和仿真结果如图20.。

如数据所示18和19,拱顶沉降数值模拟和现场监测得到的曲线是一致的,它生长在“步骤”模式。对隧道拱顶沉降的增加迅速在第一步开挖阶段和稳定大约50天。第90天的拱顶沉降波动由于第二步施工的影响。仿真结果与监测数据。左隧道拱顶沉降的增加在第一个20天,迅速和仿真结果同意监测数据在位移稳定。

图20.表明,数值模拟结果与现场监测数据,和现场监测的数据更大。

7所示。结论

数值模拟进行了对Qijiazhuang隧道采用离散单元法。围岩应力、垂直位移,表面位移、微骨折,并详细分析了接触力。然后,现场监测数据进行对比和分析。可以得出以下结论。(1)由于地形偏压,应力集中,围岩的变形和表面位移比浅埋深埋侧更大方面,尽管不同的开挖方法和支持方法(2)单边标题方法可以逐渐释放荷载和变形,这有利于支持和控制变形的大小。单边标题的方法应采取尽可能的浅埋偏压隧道。(3)的拱顶沉降和沉降拱腰没有系统的螺栓-1.53 1.26 -1.51倍和0.95倍的系统的螺栓。系统的螺栓可以降低围岩的垂直位移和地表的位移。系统锚杆支护方法可用于浅埋偏压隧道,确保安全施工。压力拱的形状表明系统的螺栓的存在增加围岩的抗剪承载力;因此,轴承非均匀载荷的能力和围岩变形得到了改进。(4)数值模拟的结果与现场监测数据。隧道的入口部分优先使用单边方法与系统的螺栓在实际建设。在远离开放的部分,三步方法与螺栓的支持建议,因为相对较低的成本和更高的效率。同时,监测频率和支持要加强关键岗位,影响隧道的稳定性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

陈宇通用电气进行数据分析和写的手稿;力平苏极大地推动了数据分析和手稿准备;林王建立了数值模型和分析结果;徐烁审查和编辑稿件;Pengqiang Yu的概念和方法论的研究。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。